技术盛宴丨第七代无线技术802.11ax详解

802.11ax，也称为高效无线网络(High-Efficiency Wireless - HEW)，通过一系列系统特性和多种机制增加系统容量，通过更好的一致覆盖和减少空口介质拥塞来改善Wi-Fi网络的工作方式，使用户获得理想的体验；尤其在密集用户环境中，为更多的用户提供一致和可靠的数据吞吐量，其目标是将用户的平均吞吐量提高至少4倍。也就是说基于802.11ax的Wi-Fi网络意味着前所未有的高容量和高效率。

802.11ax技术构成

▲802.11ax技术构成模块示意图

802.11ax标准在物理层导入了多项大幅变更。然而，它依旧可向下兼容于802.11a/b/g/n 与ac设备。正因如此，802.11ax STA能与旧有STA进行数据传送和接收，旧有客户端也能解调和译码802.11ax封包表头（虽然不是整个802.11ax封包），并于802.11ax STA 传输期间进行轮询。下图显示此标准修正重要的变更以及与现行802.11n和802.11ac的对照。

▲802.11n、802.11ac和802.11ax的关键PHY比较

关键技术解析

以下是在802.11ax当中使用到的关键技术

OFDMA

MU-MIMO

1024-QAM

Spatial Reuse

BBS Coloring

OFDMA（正交频分复用多址接入）

OFDMA是通过将子载波子集分配给不同用户在OFDM系统中添加多址的方法。迄今为止，它已被许多无线技术采用，例如3GPP LTE。802.11ax是第一个将OFDMA引入WLAN

网络的WLAN标准。此外，802.11ax标准也仿效LTE专有名词，将最小的子信道称为“资源单位(RU)”，每个RU当中至少包含26个子载波。

OFDMA允许同时提供具有不同带宽需求的多个用户，从而有效利用可用频谱。子载波被分成若干组，每组表示为具有最小尺寸为26个子载波（2MHz宽）和最大尺寸为996个子载波（77.8MHz宽）的资源单元（RU）。在用于传统WLAN技术的OFDM中，总信道带宽（例如，20MHz，40MHz等......）用于任何一帧传输。但是在用于802.11ax 的OFDMA 中，使用的子载波可以分配为小到2 MHz的块或最大带宽的传输。因此，可以针对不同类型的流量（例如即时消息（IM）与视频流）来扩展资源。OFDM和OFDMA之间的区别如下图所示。

▲OF DM与OFDMA对比

有如下几种子载波类型：

数据子载波，用于数据传输;

导频子载波，用于相位信息和参数跟踪;

未使用的子载波，不用于数据/导频传输，未使用的子载波是DC子载波；

保护频带子载波，在频带边缘；

空子载波。

形成RU的子载波是连续的，除了在带的中间，其中空值被放置在DC处。

OFDMA结构由26子载波RU，52子载波RU，106子载波RU，242子载波RU，484子载波RU和996子载波RU组成。下图中显示了最大RU数，RU位置取决于信道带宽。

▲不同频宽的RU总数

下图显示了用于80MHz信道带宽的26,52,106,242,484和996个子载波RU位置。用户只能分配给一个RU，RU大小≥106可以分配给多个用户。

▲RU在80MHz中的位置示意图

MU-MIMO（多用户多入多出）

MU-MIMO相信大家都不陌生，在802.11ac时，引入了DL MU-MIMO，但遇到了以下问题：

许多客户端设备是单天线，并且许多两个天线客户端切换到用于DL MU-MIMO的单流模式以防止干扰：

使用4个天线AP，与单个用户相比的增益是适度的；

即使构建了8个天线AP，分组也限制为4个用户；

来自用户的信道探测响应在时间上连续发送，导致高开销；

在没有UL MU增强的情况下，在上行链路上具有TCP ACK的TCP/IP受到削弱；

UL MU-MIMO最初在11ac中被考虑，但由于实施问题而未包括在内。

802.11ax MU-MIMO的增强功能如下：

支持UL MU-MIMO：

探测帧、数据帧等可以在多个用户之间分组，以减少开销并增加上行链路响应时间；

对于DL和UL，扩展到八个用户：

现在，即使设备处于单流模式，MU-MIMO吞吐量也可以在单用户操作中增加一倍或三倍。802.11ac标准引入了4x4下行链路MU-MIMO，其中AP同时向多达四个STA发送独立数据流。802.11ax将下行链路MU-MIMO支持的最大用户数扩展到8个。它还增加了对8x8上行链路MU-MIMO的支持，允许多达8个STA通过相同的频率资源同时传输到单个AP。结果是，与802.11ac相比，下行链路容量增加了2倍，上行链路容量增加了8倍。

▲802.11ax MU-MIMO的特性

MU-MIMO和OFDMA技术可以同时使用。为了启用上行链路MU传输，AP发送称为触发帧的新控制帧，其包含用于STA的RU分配调度信息，用于基于触发的PPDU中每个STA 的编码类型和调制与编码方案（MCS）。另外，触发帧为上行链路传输提供同步。

由于多个发射机参与UL MU-MIMO传输，因此它需要参与STA的时间、频率、采样时钟和功率预校正，以减轻AP处的同步相关问题。

多用户上链作业

在802.11ax中，MU-MIMO和OFDMA技术可以分别使用。在多用户作业模式中，标准会根据情况指定两种方式来为特定区域内更多用户进行多任务操作：即多用户多入多出(MU-MIMO)或正交频分复用多址接入(OFDMA)。无论为上述何种方式，无线接入点都会充当多用户作业的中央控制器，这点与LTE基站用来控制多用户多任务的方式相似。

▲根据所服务的应用程序类型使用OFDMA和MU-MIMO

通过了解他们的工作机制您可以看到，OFDMA增加了空口效率，这大大减少了应用的延迟，它在可工作的信噪比范围之内对于小数据包的传输效率更高、效果更好，极其适合无线语音或者类似应用的场景。而MU-MIMO提升的是系统容量，在高信噪比条件下传输大数据包时效率更高，适合视频、Web浏览、办公场景和应用。

当然，802.11ax 无线接入点也可将MU-MIMO和OFDMA作业结合在一起。为了协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输，无线接入点将发送触发管理帧给所有使用者。该管理帧会指出每位使用者的空间串流数量和/或OFDMA配置（频率和RU大小）。此外，当中也会包含功率控制信息，好让个别用户可以调高或调低其传输功率，进而平衡无线接入点从所有上行使用者接收到的功率，同时改善较远节点的帧接收情况。无线接入点也会指示所有使用者何时可以开始和结束传输。如下图所示，无线接入点传送多使用者上行触发管理帧，告知所有使用者何时可以一起开始传输，以及所属帧的持续时间，以确保彼此能够同时结束传输。一旦无线接入点收到了所有使用者的帧，就会回传Block ACK以结束作业。